水文地质学基础 孔隙 1.3.1岩石的空隙-孔隙.docx

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1.3 地下水的赋存条件及特征 1.3.1 岩石的空隙性 地壳表层10km范围内,或多或少都存在着空隙,特别是浅部1~2km以内,空隙分布较为普遍。这就为地下水的赋存提供了必要的空间条件。按维尔纳茨基的形象说法,“地球表层就好像饱含着水的海绵”。 岩石空隙既是地下水的储存场所,又是地下水的运动通道。岩石空隙的大小、多少、连通程度及分布状况等性质,统称为岩石的空隙性(图1-7)。而正是这岩石的空隙性,决定着地下水的分布和运动特点,因而研究岩石的空隙性就成为研究地下水形成及其运动的基础。而空隙岩层又被称为介质。 图1-7 岩土的空隙 1—分选良好,排列疏松的砂;2—分选良好,排列紧密的砂;3—分选不良的,含泥砂的砾石;4—经过部分胶结的砂岩;5—具有结构性孔隙的粘土;6—经过压缩的粘土; 7—发育裂隙的基岩;8—具有溶隙及溶穴的可溶岩 岩石空隙的差异,取决于空隙的成因。根据岩石空隙成因和空间形态的不同,空隙可以分为三类:松散岩石中的孔隙,坚硬岩石中的裂隙,可溶岩石中的溶穴。 1.3.1.1 孔隙 松散(半松散)岩石是由大小不等的颗粒组成的。颗粒或颗粒集合体之间的空隙称为孔隙。 孔隙的多少,决定了岩石储容水的能力,在一定条件下还影响向着岩石保持、释出和传输水的能力。岩石孔隙的多少用孔隙度(孔隙率)表示。孔隙度(n)是单位体积岩石(包括孔隙在内)中孔隙所占的比例。n表示孔隙度,V表示包括孔隙在内的岩土体积,Vn表示岩石中孔隙体积,则: (1-10) 孔隙度是个比值,通常用百分比表示,也可用小数表示。 粗粒土(砂、砾)孔隙度的大小,孔隙度大小主要取决于颗粒排列情况及分选程度;另外,颗粒形状及胶结情况也影响孔隙度。对于粘性土,结构及次生孔隙常是影响孔隙度的重要因素。 1. 排列方式 ba b a 图1-8 颗粒的排列形式 a —立方体排列;b—四面体排列 为了说明颗粒排列方式对粗粒土孔隙度的影响,可以假设一种理想的情况,即颗粒均为大小相等的圆球。当其为立方体排列时(图1-8,a),可算得孔隙度为47.64%;作四面体排列进,孔隙度仅为25.95%(图 1-8,b)。颗粒受力排列发生变化时,可使其密集程度不同。由几何学可知,六方体排列为最松散排列,四面体排列为最紧密排列,而自然界中松散岩石的孔隙度与此大体相近,或介于两者之间(表1-3)。 表1-3 松散岩石孔隙度参考数值(据弗里泽等,1987) 岩石名称 砾石 砂 粉砂 粘土 孔隙度变化区间 25%-40% 25%-50% 35%-50% 40%-70% 应当注意的是,上述讨论并未涉及圆球的大小,因为孔隙度的大小与颗粒大小无关(图1-9)。 图1-9 不同粒度等粒岩石的孔隙度与孔隙大小 (转引自 A.H.CeMHXaTOB) 2. 分选程度 自然界并不存在完全等粒的松散岩石。分选性愈差,颗粒大小愈不相等,孔隙度便愈小。这是因为细小颗粒充填于粗大颗粒之间的孔隙中,自然会大大降低孔隙度(图1-7,3)。我们可以假设一种极端的情况:如果一种等粒砾石孔隙度n1=40%,另一种等粒的极细砂的孔隙度n2=40%,而极细砂完全充填与砾石空隙中,则此混合砂砾石的孔隙度n3=n1×n2=16%。 3. 颗粒形状 自然界中岩石的颗粒形状也多是不规则的。组成岩石的颗粒形状越是不规则,棱角越明显,孔隙度就越大,因为这时突出部分相互接触,会使颗粒架空。 4. 胶结充填 松散沉积物受到不同程度的胶结,由于胶结物的充填,孔隙度有所降低(图1-7,4)。 5. 粘性土 粘土的孔隙度往往可以超过上述最大孔隙度值。因为粘土颗粒表面常带电荷,在沉积过程中粘土颗粒聚合而形成颗粒集合体,可形成直径比颗粒还大的结构孔隙(图1-7,5、6)。此外,粘性土中往往还发育有虫孔、根孔、干裂缝等次生孔隙,有时也有胶结物。 孔隙大小对地下水的运动影响极大,孔隙通道最细小的部分称作孔喉,最宽大部分称作孔腹(图1-10);孔喉对地下水流动的影响更大,讨论孔隙大小时可以用孔喉直接进行比较。 图1-10 图1-10 孔喉(D’)与孔腹(d) 通过孔隙通道中心切面图 图1-11 排列方式与孔隙大小关系 a—立方体排列;b—四面体排列 影响孔隙大小的主要因素是颗粒大小。颗粒大则孔隙大,颗粒小则孔隙小。需要注意的是,对分选不好,颗粒大小悬殊的松散沉积物来说,孔隙大小并不取决于颗粒的平均直径,而主要取决于细小颗粒的直径。原因是,细小颗粒把粗大颗粒的孔隙充填了(图1—7(3))。 颗粒排列方式也影响孔隙大小。仍以理性等粒圆球状颗粒为例,设颗粒直径为D,孔喉直径为d,则做四方体排列时,d=0.414D(图1-11,a);作四面体排列时,d=0.155D(图1-11b,)。 除此以外,孔隙大小还与颗粒形状以及胶结程度有关。 对于粘性土,决定

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